響應(yīng) 性 光子晶體結(jié)構(gòu)色纖維的制備及其性能研究

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1、學(xué)校代碼10255學(xué)號(hào)1142033東華大學(xué)響應(yīng)性光子晶體結(jié)構(gòu)色纖維的制備及其性能研究PREPARATIONANDPROPERTIESOFTHERESPONSIVEPHOTONICCRYSTALBASEDSTRUCTURALLYCOLOREDFIBER學(xué)科專(zhuān)業(yè)：材料學(xué)作者姓名：商勝龍指導(dǎo)教師：李耀剛教授完成日期：2017.09東華大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)。所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或

2、集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫(xiě)，我對(duì)所寫(xiě)的內(nèi)容負(fù)責(zé)，并完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：2018年1月27日東華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)東華大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密□，在年解密后適用本版權(quán)書(shū)。本學(xué)位論文屬于不保密□√。學(xué)位論文作

3、者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：2018年1月27日日期：2018年1月27日東華大學(xué)博士學(xué)位論文摘要響應(yīng)性光子晶體結(jié)構(gòu)色纖維的制備及其性能研究摘要結(jié)構(gòu)色纖維是指表面或內(nèi)部因周期性結(jié)構(gòu)而具備顏色的一類(lèi)纖維。與傳統(tǒng)纖維通過(guò)染料獲得顏色的方法不同，結(jié)構(gòu)色纖維的顏色主要通過(guò)其表面或者內(nèi)部的微納結(jié)構(gòu)與光的相互作用而產(chǎn)生。隨著智能服裝的發(fā)展，勢(shì)必會(huì)對(duì)一些具有特殊功能的纖維產(chǎn)生大量需求，而結(jié)構(gòu)色纖維則能通過(guò)調(diào)控其結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)其功能化，因此結(jié)構(gòu)色纖維的制備引起了研究者的廣泛興趣。目前，結(jié)構(gòu)色纖維制備過(guò)程中主要存在的問(wèn)題包括用于制備纖維表面的

4、周期性的膠體晶體材料比較有限，結(jié)構(gòu)色纖維表面的周期性結(jié)構(gòu)容易受到破壞；制備得到的結(jié)構(gòu)色纖維很難實(shí)現(xiàn)對(duì)外界刺激的響應(yīng)或者對(duì)外界刺激的響應(yīng)性較弱等。針對(duì)結(jié)構(gòu)色纖維研究領(lǐng)域中存在的問(wèn)題，本文采用超順磁性膠體顆粒，探究了在纖維內(nèi)部利用外界磁場(chǎng)誘導(dǎo)構(gòu)筑有序結(jié)構(gòu)而使纖維具備結(jié)構(gòu)色的方法，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)色纖維對(duì)多種外界刺激的響應(yīng)，研究了其光學(xué)性能與外界刺激之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系、響應(yīng)特性及響應(yīng)機(jī)理，具體研究?jī)?nèi)容如下：（1）采用水熱法制備了具有核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@C膠體球，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)中所使用的過(guò)氧化氫的用量，制備了粒徑分別為138nm、158n

5、m和200nm的超順磁性Fe3O4@C膠體球。不同粒徑的膠體球分散液在磁場(chǎng)下的顯色性能不同。將不同粒徑的磁性膠體球分散至ETPTA中，利用紫外光聚合反應(yīng)制備了顏色為紅、綠、藍(lán)的結(jié)構(gòu)色薄膜，結(jié)構(gòu)色薄膜的反射光譜波長(zhǎng)分別為600nm，521nm和490nm。通過(guò)控制分散液中含有的磁性膠體球的比例，制備了顏色更為豐富的薄膜。利用模板和分步紫外光固化技術(shù)制備了結(jié)構(gòu)色圖案，所制備的結(jié)構(gòu)色圖案在白色背底下能夠隱藏顏色，在黑色背景下顏色會(huì)重新顯示。通過(guò)將分散液注入毛細(xì)管中并在紫外光下固化，制備得到了顏色鮮艷的結(jié)構(gòu)色纖維。（2）利用Fe

6、3O4@C膠體球的乙二醇分散液與PDMS前驅(qū)體混合在管狀空間內(nèi)固化得到了磁場(chǎng)響應(yīng)性的PDMS纖維。通過(guò)在纖維外部涂覆額外的PDMS層使磁場(chǎng)響應(yīng)性纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。磁場(chǎng)響應(yīng)性PDMS纖維能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外界磁場(chǎng)的良好響應(yīng)性，當(dāng)對(duì)纖維施加一個(gè)外界磁場(chǎng)后，纖維的顏色可以立刻發(fā)生改變，并且纖維的顏色不會(huì)隨著對(duì)其施加外力的大小而改變。纖維具有較好的力學(xué)強(qiáng)度，其強(qiáng)度大約為60MPa。I東華大學(xué)博士學(xué)位論文摘要（3）通過(guò)外界磁場(chǎng)誘導(dǎo)和注入成性相結(jié)合的方法，成功實(shí)現(xiàn)了纖維內(nèi)部一維鏈狀光子晶體結(jié)構(gòu)的制備，與通過(guò)在纖維表面制備光子結(jié)構(gòu)而獲得結(jié)

7、構(gòu)色纖維相比，將光子晶體結(jié)構(gòu)制備在纖維的內(nèi)部更能保證光子晶體結(jié)構(gòu)不受外力的破壞。該纖維對(duì)外力具有良好的響應(yīng)性，當(dāng)纖維受到拉伸時(shí)，其顏色會(huì)從橙色變?yōu)辄S綠色進(jìn)而變?yōu)榫G色，纖維反射光譜的波長(zhǎng)也會(huì)從607nm遷移到515nm；當(dāng)纖維受到擠壓時(shí)，纖維的顏色會(huì)從橙色變?yōu)榧t色，其光譜會(huì)從607nm遷移到637nm。與傳統(tǒng)力學(xué)檢測(cè)器件不同，力學(xué)響應(yīng)性纖維在對(duì)外力實(shí)現(xiàn)良好響應(yīng)的同時(shí)，并不需要外界設(shè)備對(duì)其提供能源，因此是一種綠色的傳感器件。（4）采用溫敏性材料PNIPAM和磁性膠體球制備了對(duì)溫度具有響應(yīng)性的結(jié)構(gòu)色纖維。該纖維顏色鮮亮且能夠隨

8、溫度的變化而改變，其顏色的反射波長(zhǎng)可以從642nm遷移到494nm。結(jié)構(gòu)色纖維具有顏色記憶效應(yīng)，纖維干燥后顏色消失，再次經(jīng)過(guò)溶脹后顏色可恢復(fù)，因此該纖維具有良好的光學(xué)信號(hào)存儲(chǔ)性能。纖維在水中溶脹過(guò)程中其長(zhǎng)度方向上的溶脹率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其直徑方向上的溶脹率，纖維溶脹后的長(zhǎng)度大約是其初始長(zhǎng)度的1.4倍。通過(guò)控制纖維在不同方向